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Inversions magnétiques de la Terre : pourquoi une telle régularité ?

Contrairement aux inversions magnétiques les plus fréquentes, les superchrons sont des périodes longues lors desquelles le champ magnétique de la Terre ne s'inverse pas pendant plus de 10 millions d'années. On n'en connaissait que peu depuis moins de 2 milliards d'années, mais une nouvelle étude en révèle la présence d'une douzaine pendant cette période. Cela questionne notre compréhension de la géodynamo et de l'histoire du noyau terrestre.

Sous l'eau, au niveau des dorsales océaniques, les laves basaltiques s'épanchent en donnant des laves en coussins comme celles sur cette photo. En se refroidissant, elles s'aimantent et gardent la mémoire de la polarité et de l'intensité du champ magnétique terrestre. © University of Washington Sous l'eau, au niveau des dorsales océaniques, les laves basaltiques s'épanchent en donnant des laves en coussins comme celles sur cette photo. En se refroidissant, elles s'aimantent et gardent la mémoire de la polarité et de l'intensité du champ magnétique terrestre. © University of Washington

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Les inversions magnétiques ont été découvertes il y a un peu plus de 100 ans. Pendant les années 1960, elles ont révolutionné la géologie grâce à une jeune discipline des géosciences : l’étude du paléomagnétisme. Ces inversions ont été enregistrées dans les basaltes des fonds océaniques grâce aux particules magnétiques s’orientant dans le sens du champ magnétique local des laves en train de se refroidir. Elles ont accrédité la théorie de la dérive des continents – devenue rapidement celle de la tectonique des plaques, qui a également reçue une confirmation avec les expéditions menées dans la dépression de l’Afar par Haroun Tazieff et ses collègues.

En fait, les géophysiciens étudient le champ magnétique de la Terre depuis le XIXe siècle et ils ont même proposé une théorie pour expliquer son origine, celle de la dynamo auto-excitatrice. Elle a d’abord été explorée analytiquement puis numériquement avec la montée en puissance des ordinateurs. Finalement, c’est l’expérience VKS qui a permis de démontrer que l’on comprenait bien dans les grandes lignes les origines des inversions magnétiques. C’est dans le noyau liquide, composé essentiellement de fer et de nickel, que des courants de convection turbulents, influencés par la rotation de la Terre, amplifient de faibles champs magnétiques générant des courants qui, à leur tour, produisent de tels champs.


Entretiens avec Yves Gallet, chercheur IPGP-CNRS, et des membres de l'équipe de recherche sur le paléomagnétisme. © Chaîne IPGP, YouTube

Depuis lors, les paléomagnéticiens continuent de fouiller les archives de la Terre pour mieux comprendre son histoire et les géophysiciens raffinent leurs modèles de la géodynamo et de l’intérieure de la Terre pour mieux comprendre notre planète. Une équipe de chercheurs états-uniens vient ainsi de publier les résultats de leurs travaux sur ces questions dans Earth and Planetary Science Letters. Ils se sont intéressés aux superchrons.

Dix superchrons pendant 1,3 milliards d'années

Plusieurs types d’inversions magnétiques sont connus et leur répartition dans le temps apparaît comme plus chaotique que périodique. Ainsi, Il y a 72 millions années (Ma), le champ s'est inversé cinq fois en un million d'années mais, pendant quatre millions d'années, il y a 54 Ma, seulement dix inversions se sont produites. Quant aux superchrons, ce sont des périodes de l’histoire de la Terre lors desquelles le champ magnétique ne s’inverse pas pendant une durée supérieure à 10 millions d’années. Jusqu’à présent, l’existence de deux périodes de ce type faisait consensus et une troisième restait controversée.

Le superchron appelé Cretaceous Normal a duré près de 40 millions d'années, il y a donc de 120 à 83 millions d'années, c'est-à-dire pendant le Crétacé. Le superchron Kiaman (le nom Kiaman dérive du village australien de Kiama, où les premières preuves géologiques de l'existence de ce superchron ont été trouvées en 1925) a quant à lui duré approximativement de la fin du Carbonifère à la fin du Permien, plus précisément d’il y a 312 à 262 millions d'années.

Des superchrons sont représentés sur ce shéma chronologique s'étendant sur les deux derniers milliards d'années. Les deux couleurs grises indiquent des polarités différentes du champ magnétique. Plus les barres sont hautes, plus l'existence du superchron est probable. On voit aussi les étapes supposées de la croissance de la graine (inner core) du noyau (core) de la Terre.
Des superchrons sont représentés sur ce schéma chronologique s'étendant sur les deux derniers milliards d'années. Les deux couleurs grises indiquent des polarités différentes du champ magnétique. Plus les barres sont hautes, plus l'existence du superchron est probable. On voit aussi les étapes supposées de la croissance de la graine (inner core) du noyau (core) de la Terre. © Nasa

Cependant, selon Peter Driscoll, de l’institution Carnegie, et David Evans, de l’université de Yale, il y aurait eu dix superchrons pendant le Protérozoïque, une période s’étendant d’il y a 540 millions d’années à 2,5 milliards d’année. S’ils ont raison, la découverte pose problème car ces superchrons semblent être survenus de façon relativement régulière. Or, selon les géophysiciens, c’est aussi pendant cette période, il y a environ un milliard d’années, que la graine de la Terre, la partie solide du noyau découverte par Inge Lehman, a commencé à cristalliser. Selon les simulations numériques de la géodynamo, la quasi périodicité des superchrons n’est pas crédible puisqu'elle aurait dû être perturbée par le début de la genèse de la graine.

Il semble que l’on soit alors devant une alternative : soit la formation de la graine est en réalité plus ancienne, soit le fonctionnement de la géodynamo est plus stable que ne le laissent supposer les simulations numériques et il n’a été que peu affecté par le début de la cristallisation de la graine. Compte tenu des modèles du refroidissement de la Terre qui prédisent cette cristallisation, il semble que la seconde hypothèse soit la bonne.


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